頂管技術在北趙引黃二期工程中的應用

辛 明

（運城市北趙引黃二期工程建管局，山西 運城 044000）

1 工程概況

北趙引黃二期工程，通過一期中干三級站前接水，經新修建的37.97km干渠，向鹽湖區、萬榮縣、臨猗縣、聞喜縣境內供水，主要解決以上四縣（區）的峨嵋臺地旱地問題，設計流量5m3/s，干渠采用混凝土防滲的弧底梯形渠。干渠全線需穿運稷線、皇埝線等多條公路。其中皇埝線位于萬榮縣漢薛鎮境內，交通流量較大，原設計項目為公路函，如果依據施工方案進行破路施工，會造成長時間的交通堵塞同時容易引發交通事故，而且破路修渠等相應的審批手續，程序繁雜，辦理周期長，嚴重拖延了施工進度。經過組織相關專家現場考察論證，決定采用頂管施工，頂管完成后鋼管與混凝土管間隙全部用混凝土填充，以保證施工后路面不沉陷。

2 工程地質與布置

2.1 工程地質條件

根據山西省運城市水利勘察院所提供地質資料，頂管所處的地質條件如下：北趙引黃二期皇埝線頂管工程位于萬榮縣漢薛鎮內，頂管所處工程地質條件為低液限粘土（Q3al）：淺黃色，局部褐黃色，局部含較多白色菌絲及鈣質結核。中等偏高壓縮性，具濕陷性。含水量15.4%，質量密度1.59g/cm3，干密度1.38g/cm3，孔隙比0.970，液限31.5%，塑限19.5%，塑性指數12.0，壓縮系數0.38MPa-1，壓縮模量6.72MPa，粘聚力12.9kPa，內摩擦角21.0°，滲透系數4.80×10-5cm/s。

2.2 頂管工程布置

頂管施工類型分別有手掘式、擠壓式、泥水平衡式等多種施工方法。根據北趙引黃二期工程項目地質條件和工期等各方面因素考慮，采取手掘式頂管施工。手掘式頂管施工又稱為人工頂管，廣泛應用于頂管工程，特別是在南方沿海城市，交通繁忙、人口密集處均采用此方法。

根據《頂管施工技術及驗收規范》（試行）中的施工管理條例，頂管施工時外徑上的覆土厚度要大于管徑的1.5倍或覆土距離頂管外徑大于3m。

皇埝公路頂管工程沿干渠渠道方向布置，混凝土頂管管段總長25.00m，頂管進口內底（工作坑一側）的地面高程為629.051m，頂管出口處（接受坑一側）的地面高程為628.794m，頂管外徑距皇埝線公路路面土質厚度為6.844m。工作坑和接受坑分別位于皇埝線南、北，兩工作坑均距離公路中心線11m。

2.3 工作坑設計

在頂管施工工作坑建設過程中，為了防止工作坑地基發生沉降等情況，導致頂管頂進過程中出現偏差，可以采用枕木基礎、混凝土基礎、混凝土臥枕木基礎。

本項目頂管工程穿越的皇埝線公路兩側均為果樹地，地勢平坦無溝壑。土層地質為自重濕陷性黃土，地下水埋深較深、工作周期短，故采用底部夯實和枕木作鋪設基礎，該工作坑施工成本低，建設容易并且施工簡易，廣泛應用于頂管施工。

同時因為當地土質較好、地下水位低于坑底，且覆土大于2m，工作坑采用直槽式開挖。從工作坑地基向上1.2m內不進行放坡，超過1.2m后的部分根據設計要求上的1∶0.75比例進行放坡。

工作坑基地尺寸計算如下：

式中：L——作業坑基地長度，m；

L1——混凝土管節頂進后，處于導軌上的最小距離，混凝土管應大于0.3m；

L2——每節混凝土長度，取0.7m；

L3——土方外運工作地長度，為1.0m；

L4——千斤頂長度，取2.0m；

L5——工作坑后背墻厚度，取1.0m；

B——作業坑寬度，m；

D1——頂管混凝土管道外徑，DN2700mm為3.0m；

S——頂管施工操作寬度，取2.4～3.2m。

經計算，作業坑長度為5m，作業坑寬度為5.4m。

DN2700mm頂管的進管工作坑底，布置按照5m×5.4m（長×寬）考慮。

3 管道設計與計算

3.1 管道設計

公稱直徑為DN2700mm的混凝土管管壁厚度，根據《頂管施工技術及驗收規范》（試行）建議取值260mm，根據施工期內混凝土管將要承受的最大推力，對混凝土管的壁厚進行計算核實，同時要求施加給混凝土管的最大推力，不能小于混凝土管前進時的最大頂進阻力。

3.1.1 混凝土管道許用頂力計算：

式中：［Fr］——混凝土管許用頂力，kN；

σc——混凝土抗壓強度，kPa，C30的混凝土軸心抗壓強度14300kPa；

A——施加壓力面積取值1.2m2；

S——安全系數，取S=2.5～3.0；

通過上述公式結合頂管施工的實際情況，計算得DN2700mm混凝土管許用頂力為6864kN。

3.1.2 最大頂進阻力計算

根據《頂管施工技術及驗收規范》（試行）規定，主頂千斤頂可頂進的最長距離，是頂管的最大頂進阻力，只有滿足頂力的要求，才能讓混凝土頂管克服土的阻力與管壁摩擦力。皇埝線頂管的最長頂進距離為22.00m，按照不間斷持續進行頂進對最大頂進阻力Fp進行復核。最大阻力計算公式：

式中：Fp——頂進阻力，kN；

D0——管道的外徑，3.00m；

L——管道設計頂進長度，22.00m；

fk——混凝土管道外壁和土產生的單位面積平均摩擦阻力，（皇埝線公路所處位置地基主要為黃土狀壤土，頂管采取外壁涂蠟方式減少阻力，這里按照觸變泥漿注漿后考慮），取8kPa；

NF——頂管機的迎面阻力（因本項目采用超前開挖，頂管正面阻力忽略不計），kN；

Dg——頂管機刀盤外徑，m；

t——工具管刃腳厚度，m；

R——擠壓阻力，kPa，一般取R=300～500kPa。

經計算，皇埝線頂管工程最大頂進阻力為1658.76kN。根據上述計算結果可以得出［Fr］＞Fp，頂管壁厚符合施工要求。

3.2 后背反力計算

后座墻為頂管頂進提供支撐力，在施工過程中，后墻必須保持穩定，一旦后墻結構出現破壞，頂管施工必須停止。如果在項目中沒有原土可以作為后背墻時，可以設置人工后座墻。

穿皇埝線頂管工程后背墻尺寸，高2.5m，寬2.5m。后背反力R的計算公式如下：

式中：R——后背反力，單位kN；

α——系數，取1.5～2.5；

B——后座墻的寬度，取2.5m；

γ——土的容重，取18kN/m3；

H——后背墻的高度，取2.5m；

c——土的粘聚力，取12.9kPa；

h——工作坑底部到距離后背墻頂部原土層的高，取2.5m。

經計算，后背及力R為2008.325kN。

為了確保頂管施工安全，總頂力應為后背墻反力的60%～80%，從以上計算結果中可以看出，該頂管工程的后背所產生的反力，滿足頂管施工的技術要求。

4 結語

隨著頂管技術的不斷進步和優化，被廣泛應用于水利建設、城市建設等多種施工方案。北趙引黃二期工程使用頂管技術化解了干渠渠道在穿路時存在的諸多問題，縮短了施工工期、降低了施工成本，通過使用該技術，徹底解決了項目施工中可能造成的道路交通堵塞和對建筑物的破壞等難題，施工成本遠遠低于原公路函設計方案。